CN118272808A - 管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备及工艺 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备及工艺。其中，复合装备，包括：平台，具有用于安装管道的安装座；转动台，用于驱使管道周向转动；支撑杆，用于水平穿设在管道内并相对于管道轴向移动；激光器，用于发出激光束；复合修复头，设置于支撑杆，包括激光光路、转盘、激光清洗头和激光熔覆头，激光光路用于传输激光束，转盘位于激光光路的输出侧，激光清洗头和激光熔覆头设置于转盘上，其中，转盘能够周向转动，并具有相对激光器光路的第一转动位置和第二转动位置，第一转动位置时，激光清洗头和光路对齐，第二转动位置时，激光熔覆头和光路对齐。这样，可以解决管道内表面局部无法被清洁到的问题，有利于提高熔覆质量。

Description

管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备及工艺

技术领域

本申请涉及激光清洗和激光熔覆技术领域，具体而言，涉及一种管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备及工艺。

背景技术

在实际应用中，管类构件内表面通常因受到严重的高温氧化、摩擦磨损和腐蚀作用，而容易产生裂纹等缺陷，大大缩短了其服役年限或使用寿命，造成大量经济损失。常用的解决的方法是利用改性技术在管类构件内表面制作激光熔覆涂层。

在对管类构件内表面进行熔覆之前，一般需要对管类构件的内表面进行清洁。然而，部分管件会因长度较大、管径有限，人工无法进入而导致其内表面局部无法被清洁到的问题，从而影响熔覆质量。

发明内容

本申请实施例至少提供一种管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备及工艺，用以改善现有技术中管件因长度较大、管径较小，人工无法进入而导致其内表面局部无法被清洁到的问题，有利于提高熔覆质量。

第一方面，本申请实施例提供了一种管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，所述复合装备包括：

平台，具有用于安装管道的安装座；

转动台，设置于所述平台，用于驱使所述管道周向转动；

支撑杆，设置于所述平台，用于水平穿设在所述管道内并相对于所述管道轴向移动；

激光器，设置于所述平台，用于发出激光束；

复合修复头，设置于所述支撑杆，包括激光光路、转盘、激光清洗头和激光熔覆头，所述激光光路用于传输所述激光束，所述转盘位于所述激光光路的输出侧，所述激光清洗头和激光熔覆头设置于转盘上，其中，所述转盘能够相对所述激光光路的轴心周向转动，所述转盘具有相对所述激光光路的第一转动位置和第二转动位置，第一转动位置时，所述激光清洗头和所述激光光路的轴心对齐，第二转动位置时，所述激光熔覆头和所述激光光路的轴心对齐。

在一种可选的实施方式中，所述复合修复头还包括光斑调控组件，所述光斑调控组件用于将激光高斯光斑调节为宽光斑。

在一种可选的实施方式中，所述支撑杆还能够相对所述管道上下移动，以调整激光焦点与所述管道的内壁的距离。

在一种可选的实施方式中，所述管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备还包括：

送气机，与所述复合修复头相连接，用于在激光清洗和激光熔覆时送出保护气至所述管道内壁的待加工位置，以清理各种杂质和防止飞溅。

在一种可选的实施方式中，所述复合装备还包括：

控制器，与所述转动台、支撑杆、激光器和转盘电性连接，用于控制所述转动台、支撑杆、激光器和转盘的运行。

在一种可选的实施方式中，所述复合装备还包括：

图像采集单元，与所述控制器电性连接，包括CCD相机，所述CCD相机用于获取清洗图像和熔池图像，以使所述控制器根据所述清洗图像和熔池图像控制所述转动台、支撑杆、激光器和转盘的运行。

第二方面，本申请实施例还提供一种管道内壁激光清洗和熔覆的工艺，适用于第一方面任一项实施例所述的管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，所述工艺包括：

将待加工的管道安装在所述平台的所述安装座上；

轴向移动所述支撑杆，使所述复合修复头进入所述管道的内部；

转动所述转盘至第一转动位置，使所述激光清洗头和所述激光光路的轴心对齐；

启动所述激光器、转动台和支撑杆，对所述管道的内壁进行激光清洗；

转动所述转盘至第二转动位置，使所述激光熔覆头和所述激光光路的轴心对齐；

启动所述激光器、转动台和支撑杆，同时启动送粉机和送气机，对所述管道的内壁进行激光熔覆。

在一种可选的实施方式中，在对所述管道的内壁进行激光清洗时，所述工艺还包括：

图像采集单元实时获取清洗图像，以使控制器根据所述清洗图像控制所述激光器的功率、支撑杆的移动速度和所述支撑杆相对管道的高度。

在一种可选的实施方式中，在对所述管道的内壁进行激光熔覆时，所述工艺还包括：

图像采集单元实时获取熔池图像，以使控制器根据所述熔池图像实时调整控制送粉量、所述激光器的功率和所述支撑杆的移动速度。

在一种可选的实施方式中，在对所述管道的内壁进行激光清洗/激光熔覆之前，所述工艺还包括：

上下移动所述支撑杆，使激光束的焦点刚好落在管道的内壁面上，以通过调整距离来调节激光能量。

本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

相对于传统的清洗管道内壁的方式，本申请实施例的管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，其复合修复头可以借助激光器的能量来实现清洗功能，并且，由于支撑杆能够相对于所述管道轴向移动，使得复合修复头可以实现对管道的整个内表面的清洗，从而能够改善现有技术中管件因长度较大、管径较小，人工无法进入而导致其内表面局部无法被清洁到的问题，有利于提高熔覆质量。此外，复合修复头可以借助一个激光器来实现清洗和熔覆两种功能，这样能够节省空间，提高器件的利用率。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书中的一部分，这些附图示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于说明本申请的技术方案。应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的一种管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备的结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的一种复合修复头的结构示意图；

附图标记：

10、管道；100、平台；110、安装座；200、转动台；300、支撑杆；400、激光器；410、复合修复头；411、激光光路；420、转盘；430、激光清洗头；440、激光熔覆头；450、光斑调控组件；460、送粉喷嘴；461、进粉口；462、进气口；500、送粉机；600、送气机；700、冷水机；800、控制器；900、CCD相机。

具体实施方式

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在实际应用中，管类构件内表面通常因受到严重的高温氧化、摩擦磨损和腐蚀作用，而容易产生裂纹等缺陷，大大缩短了其服役年限或使用寿命，造成大量经济损失。常用的解决的方法是利用改性技术在管类构件内表面制作激光熔覆涂层。

在对管类构件内表面进行熔覆之前，一般需要对管类构件的内表面进行清洁。然而，部分管件会因长度较大、管径有限，人工无法进入而导致其内表面局部无法被清洁到的问题，从而影响熔覆质量。

为此，本申请实施例至少提供一种管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备和工艺方法，用以改善现有技术中管件因长度较大、管径较小，人工无法进入而导致其内表面局部无法被清洁到的问题，有利于提高熔覆质量。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体的附图以及实施例对其进行详细的说明。

图1示出了本申请实施例所提供的一种管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备与工艺的结构示意图。图2示出了本申请实施例所提供的一种复合修复头的结构示意图。

参考图1，本申请实施例提供的复合加工设备，包括平台100、转动台200、支撑杆300和复合修复头410。平台100具有用于安装管道10的安装座110。转动台200设置于平台100，用于驱使管道10周向转动。支撑杆300设置于平台100，用于水平穿设在管道10内并相对于管道10轴向移动。激光器400设置于平台100，用于发出激光束。复合修复头410设置于支撑杆300，用于将激光束的能量聚集在管道10内壁，以对管道10内壁面进行激光清洗和激光熔覆。

参考图1和图2，在一些实施例中，复合修复头410包括激光光路411、转盘420、激光清洗头430和激光熔覆头440。激光光路411用于传输激光束。转盘420位于激光光路411的输出侧，转盘420能够相对激光光路411的轴心周向转动，并具有相对激光光路411的第一转动位置和第二转动位置。激光清洗头430和激光熔覆头440设置于转盘420，在第一转动位置时，激光清洗头430和激光光路411的轴心对齐，在第二转动位置时，激光熔覆头440和激光光路411的轴心对齐。具体来说，该复合修复头410可以通过转动转盘420来实现功能切换。具体地，当激光清洗头430和激光光路411的轴心对齐时，激光器400发出的激光束透过激光清洗头430射向管道10内壁面，可以用于对管道10内壁面进行激光清洗。当激光熔覆头440和激光光路411的轴心对齐时，激光器400发出的激光束透过激光熔覆头440射向管道10内壁面，可以用于对管道10内壁面进行激光熔覆。

相对于传统的清洗管道10内壁的方式，本申请实施例的复合加工设备，其复合修复头410可以借助激光器400的能量来实现清洗功能，并且，由于支撑杆300能够相对于管道10轴向移动，使得复合修复头410可以实现对管道10的整个内表面的清洗，从而能够改善现有技术中管件因长度较大、管径较小，人工无法进入而导致其内表面局部无法被清洁到的问题，有利于提高熔覆质量。

此外，由于复合修复头410借助一个激光器400来实现清洗和熔覆两种功能，这样可以节省空间，提高器件的利用率。

应理解，该装备不仅适用于管状零件的内表面，还适用于管状零件的外表面。

在一些实施例中，激光器400为光纤激光器400。光纤激光器400可以提供高质量的激光束，而且光纤激光器400散热性能优异，允许在高功率下工作而不易过热。

在一些实施例中，激光清洗头430内具有振镜和场镜，激光器400所出射的激光束通过激光光路411导入激光清洗头430内后依次通过振镜和场镜，激光束通过振镜的高频振动，形成具有一定宽幅的扫描光线，而再在经过场镜后可聚焦成高能量密度的聚焦光斑。

在一些实施例中，激光熔覆头440内具有聚焦镜，激光器400所出射的激光束通过激光光路411导入激光熔覆头440内后经激光熔覆头440内的聚焦镜聚焦成高能量密度光斑。

在一些实施例中，激光清洗头430和激光熔覆头440沿转盘420的直径对称设置。也就是说，转盘420周向转动180°，可以使激光清洗头430和激光器400位置相互交换，从而可以使激光清洗头430/激光熔覆头440和激光器400对齐。应理解，激光清洗头430和激光熔覆头440的设置位置和转盘420的转动角度可以根据实际情况进行选择，并不限于上述设置方式。

在一些实施例中，复合修复头410还包括光斑调控组件450，光斑调控组件450用于将激光高斯光斑调节为宽光斑。示例性的，光斑调控组件450可以包括准直镜片、鲍威尔棱镜和柱面镜，准直镜片、鲍威尔棱镜和柱面镜沿激光的出射方向依次设置。在具体实施中，呈发散状的激光束经过准直镜片准直成平行光束，再通过鲍威尔棱镜折射出较均匀的长条状光斑，最后经过柱面镜使长条状光斑受到限制，从而输出较均匀的宽光斑。这样设置，能够提高清洗和熔覆的效率和质量。

参考图1，在一些实施例中，复合加工设备还可以包括送粉机500，送粉机500用于在激光熔覆时送出熔覆粉末至管道10内壁的待加工位置。

如图2所示，复合修复头410还包括送粉喷嘴460，送粉喷嘴460设置有送粉通道，送粉通道的进粉口461与送粉机500的出粉口相连通。在熔覆过程中，送粉机500在压力的作用下将熔覆粉末送出，熔覆粉末经送粉通道送至管道10内壁的待加工位置，以在激光束的作用下在管道10内壁形成熔覆层。

参考图1，在一些实施例中，复合加工设备还可以包括送气机600，送气机600用于在激光熔覆时送出保护气至管道10内壁的待加工位置。

如图2所示，送粉喷嘴460还设置有送气通道，送气通道的进气口462与送气机600的出气口相连通。在熔覆过程中，送气机600在压力的作用下将保护气送出，保护气经送气通道送至管道10内壁的待加工位置，以对熔覆表面起保护作用。

可选地，送气机600还用于在激光清洗时送出保护气至管道10内壁的待加工位置。这样设置，能够利用保护气来吹扫清理下来的杂质，防止飞溅反射对激光器400造成损伤。具体来说，保护气具有一定的压力，在清洗过程中，保护气可以实现吹扫效果，吹扫管道10内清洗产生的杂质，从而防止飞溅反射对激光器400造成损伤。

参考图1，在一些实施例中，复合加工设备还可以包括冷水机700，冷水机700与激光器400相连接，用于对激光器400进行降温。例如，激光器400设置有循环水道，循环水道的进水口和冷水机700的出水口相连通，循环水道的出水口和冷水机700的进水口相连通。当冷水机700中的水经过循环水道时，可以吸收激光器400散发的热量，从而实现对激光器400的降温。

在一些实施例中，支撑杆300可以为空心杆。在具体实施中，支撑杆300内部用于安装连接复合修复头410的管线，如光纤、送气机600的送气管、送粉机500的送粉管和电源线等。这样设置，有利于保证结构的整洁性和安全性。

在一些实施例中，支撑杆300和平台100之间可以设置有轴向移动组件，轴向移动组件用于带动支撑杆300使其轴向移动。例如，轴向移动组件可以包括底座、丝杠、滚珠和第一电机。底座安装在平台100上。丝杠可转动地安装在底座上，丝杠与支撑杆300相平行。滚珠可转动地安装在丝杠上并与支撑杆300固定连接。第一电机安装在底座上，且第一电机的在驱动轴与丝杠联动。当第一电机启动时，驱动轴带动丝杠周向转动，滚珠（在导向机构的作用下）沿丝杠的轴向移动，从而带动支撑杆300轴向移动。这样设置，能够实现支撑杆300在轴向移动时的机械化控制。

在一些实施例中，支撑杆300还能够相对管道10上下移动。也即，复合修复头410与管道10内壁的距离可调。例如，底座和平台100之间设置有升降台，通过升降台可以调节底座的高度，从而使支撑杆300能够相对管道10上下移动。在具体实施中，升降台可以通过电机或者气缸驱动。这样设置，能够调节复合修复头410与管道10内壁的距离，以调整激光焦点与所述管道的内壁的距离，从而使复合加工设备适用于不同厚度的管类构件。

在一些实施例中，复合加工设备还可以包括控制器800，控制器800与转动台200、支撑杆300、激光器400、转盘420、送粉机500和送气机600电性连接，用于控制转动台200、支撑杆300、激光器400、转盘420、送粉机500和送气机600的运行。具体地，控制器800可以根据预设的程序或者操作指令控制转动台200、支撑杆300、激光器400、转盘420、送粉机500和送气机600运行，以进行激光清洗或者激光熔覆操作。这样设置，能够实现对复合加工设备的自动化控制。

在一些实施例中，复合加工设备还包括图像采集单元，如图2所示，图像采集单元包括CCD相机900，CCD相机900设置在复合修复头410上，CCD相机900与控制器800电性连接，CCD相机900用于获取清洗图像和熔池图像，以使控制器800根据清洗图像和熔池图像控制转动台200、支撑杆300、激光器400、转盘420、送粉机500和送气机600的运行。例如，为了保证熔覆质量，控制器800能够控制转动台200的转速、支撑杆300的轴向移动速度、激光器400的功率、转盘420的转动角度、送粉机500的送粉速率以及送气机600的保护气流量等参数。这样设置，能够便于节省人工劳动力，提高清洗和熔覆质量。

根据上述复合加工设备，其加工方法包括以下步骤：

步骤1、将待加工的管道10安装在平台100的安装座110上；

步骤2、轴向移动支撑杆300，使复合修复头410进入管道10的内部；

步骤3、转动转盘420至第一转动位置，使激光清洗头430和激光光路411的轴心对齐；

步骤4、启动激光器400、转动台200、支撑杆300和送气机600，对管道10的内壁进行激光清洗。

步骤5、待清洗完成后，转动转盘420至第二转动位置，使激光熔覆头440和激光光路411的轴心对齐；

步骤6、启动激光器400、转动台200、支撑杆300、送粉机500和送气机600，对管道10的内壁进行激光熔覆；

步骤7、待熔覆完成后，依次关闭送粉机500、激光器400、送气机600和转动台200，并将支撑杆300退出管道10。

在对管道10的内壁进行激光清洗时，可以通过图像采集单元实时获取清洗图像，图像采集单元在获取清洗图像后可以反馈到控制器800，以使控制器800根据清洗图像控制激光器400的功率、支撑杆300的移动速度和支撑杆相对管道的高度等。这样，能够根据监测信息优化工艺参数，从而能够提高清洗的质量。例如，控制器800可以控制送气机600的送气量，以保证对杂质的吹扫效果。

在对管道10的内壁进行激光熔覆时，可以通过图像采集单元实时获取熔池图像，图像采集单元在获取熔池图像后可以反馈到控制器800，以使控制器800根据熔池图像控制送粉量、激光器400的功率和支撑杆300的移动速度等。这样，能够根据监测信息优化工艺参数，从而能够提高涂层的质量。例如，控制器800可以控制送粉机的送粉量，使熔覆粉末的宽度和激光束的光斑的宽度一致，保证涂层制备过程中激光器400的熔化效果。

在对管道10的内壁进行激光清洗/激光熔覆之前，可以上下移动支撑杆300，使激光束的焦点刚好落在管道10的内壁面。具体来说，这样，能够使激光束的能量以最大限度的聚集在管道10的内壁面，从而能够提高清洗和熔覆的效率。

本申请实施例的复合加工设备，其复合修复头410可以借助激光器400来实现清洗功能，并且，由于支撑杆300能够相对于管道10轴向移动，使得复合修复头410可以实现对管道10的整个内表面的清洗，从而能够改善现有技术中管件因长度较大、管径较小，人工无法进入而导致其内表面局部无法被清洁到的问题，有利于提高熔覆质量。此外，由于复合修复头410借助一个激光器400来实现清洗和熔覆两种功能，这样可以节省空间，提高器件的利用率。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，其特征在于，所述复合装备包括：

平台，具有用于安装管道的安装座；

转动台，设置于所述平台，用于驱使所述管道周向转动；

支撑杆，设置于所述平台，用于水平穿设在所述管道内并相对于所述管道轴向移动；

激光器，设置于所述平台，用于发出激光束；

复合修复头，设置于所述支撑杆，包括激光光路、转盘、激光清洗头和激光熔覆头，所述激光光路用于传输所述激光束，所述转盘位于所述激光光路的输出侧，所述激光清洗头和激光熔覆头设置于转盘上，其中，所述转盘能够相对所述激光光路的轴心周向转动，所述转盘具有相对所述激光光路的第一转动位置和第二转动位置，第一转动位置时，所述激光清洗头和所述激光光路的轴心对齐，第二转动位置时，所述激光熔覆头和所述激光光路的轴心对齐。

2.根据权利要求1所述的管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，其特征在于，所述复合修复头还包括光斑调控组件，所述光斑调控组件包括光束调节器和各种棱镜镜片，用于将激光高斯光斑调节为宽光斑。

3.根据权利要求1所述的管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，其特征在于，所述支撑杆还能够相对所述管道上下移动，以调整激光焦点与所述管道的内壁的距离。

4.根据权利要求1所述的管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，其特征在于，所述复合装备还包括：

送气机，与所述复合修复头相连接，用于在激光清洗和激光熔覆时送出保护气至所述管道内壁的待加工位置。

5.根据权利要求1所述的管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，其特征在于，所述复合装备还包括：

控制器，与所述转动台、支撑杆、激光器和转盘电性连接，用于控制所述转动台、支撑杆、激光器和转盘的运行。

6.根据权利要求5所述的管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，其特征在于，所述复合装备还包括：

图像采集单元，与所述控制器电性连接，包括CCD相机，所述CCD相机用于获取清洗图像和熔池图像，以使所述控制器根据所述清洗图像和熔池图像控制所述转动台、支撑杆、激光器和转盘的运行。

7.一种管道内壁激光清洗和熔覆的工艺，适用于权利要求1-6任一项所述的管道内壁激光清洗和熔覆的复合装备，其特征在于，所述工艺包括：

将待加工的管道安装在所述平台的所述安装座上；

轴向移动所述支撑杆，使所述复合修复头进入所述管道的内部；

转动所述转盘至第一转动位置，使所述激光清洗头和所述激光光路的轴心对齐；

启动所述激光器、转动台和支撑杆，对所述管道的内壁进行激光清洗；

转动所述转盘至第二转动位置，使所述激光熔覆头和所述激光光路的轴心对齐；

启动所述激光器、转动台和支撑杆，同时启动送粉机和送气机，对所述管道的内壁进行激光熔覆。

8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，在对所述管道的内壁进行激光清洗时，所述工艺还包括：

图像采集单元实时获取清洗图像，以使控制器根据所述清洗图像控制所述激光器的功率、支撑杆的移动速度和所述支撑杆相对管道的高度。

9.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，在对所述管道的内壁进行激光熔覆时，所述工艺还包括：

图像采集单元实时获取熔池图像，以使控制器根据所述熔池图像实时调整控制送粉量、所述激光器的功率和所述支撑杆的移动速度。

10.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，在对所述管道的内壁进行激光清洗/激光熔覆之前，所述工艺还包括：

上下移动所述支撑杆，使激光束的焦点刚好落在管道的内壁面上。